JP3900233B2 - Light receiving element and built-in light receiving element - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、書き込み対応可能な光ピックアップ等に用いられる受光素子および回路内蔵受光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、光ピックアップはCD−ROMやDVD(デジタルビデオディスク)等の光ディスク装置に使用されている。この光ディスク装置は、近年、高速化が進んできており、また、動画像等の多量のデータを高速で取り扱うようになってきている。このような背景の中、光ピックアップの高速化に対する要求は非常に強い。
【0003】
また、最近では、CD−R/RWやDVD−R/RAM等の書き込み可能な光ディスク装置も登場している。この書き込み可能な光ディスク装置では、レーザーの熱によりディスク上の色素を相変化させること等により情報を書き込むため、高パワーのレーザーが光ディスクに照射され、その反射光がフォトダイオードに入射する。このため、書き込み時にフォトダイオードに照射されるレーザーの光量は、読み出し時に比べて非常に大きくなる。このような書き込み可能な光ディスクメディアにおいても、高速化に対する要求は非常に強い。
【0004】
図1に、特開平9−153605号公報に開示されている従来のフォトダイオードの構造を示す。このフォトダイオードは、図1(a)に示すように、第1導電型半導体基板84上に第2導電型エピタキシャル層85が形成されている。第2導電型エピタキシャル層85は第1導電型拡散層87、88により複数の領域に分割され、各分割領域とその下の第1導電型半導体基板84との接合によりフォトダイオードが構成されている。
【0005】
このような構造のフォトダイオードにおいて、応答速度を決定する要因としては、フォトダイオードの容量(C)と抵抗(R)とで決まるCR時定数と空乏層より基板側で発生したキャリアが拡散により移動する際の移動距離とがある。
【0006】
そこで、この従来技術では、図1(a)のa−a’線部分の不純物濃度プロファイルを示す図1(b)のように、第1導電型半導体基板84の不純物濃度を低く設定することにより、第1導電型半導体基板84内に広がる空乏層86を広がり易くしている。これにより、フォトダイオードの接合容量が低減され、CR時定数を低減してフォトダイオードの応答速度を高速化することができる。さらに、空乏層が基板側深くまで広がるため、比較的深い位置で発生したキャリアが拡散により移動する距離が短くなるため、応答速度を高速化することができる。
【0007】
しかし、フォトダイオードの応答速度をさらに高速化するために、基板比抵抗をさらに高くしていくと、今度は基板比抵抗に起因するアノード側の直列抵抗が増加してしまう。このため、フォトダイオードの応答を決定するCR時定数のR成分が大きくなって、逆に応答速度が低下する。即ち、基板比抵抗を高くしていくと、フォトダイオードの応答速度を律するCR時定数の内、C成分を低減できるので、図2に示すように、基板比抵抗がある値になるまではフォトダイオードの応答速度(フォトダイオードの遮断(カットオフ)周波数)を向上させることができる。しかし、さらに基板比抵抗を高くしていくと、特にアノード抵抗に起因するR成分が増大してしまうため、図2に示すように、フォトダイオードの応答速度が低下する。
【0008】
そこで、さらにフォトダイオードの高速化を図るために、例えば特開昭61−154063号公報には、図3に示すように、P型低抵抗基板141上にP型高抵抗結晶成長層142を形成した積層基板上にフォトダイオードを形成する構造が提案されている。この高抵抗結晶成長層142は、低抵抗基板141側から連続的に不純物濃度が減少するオートドープ層142aと不純物濃度が一定の層142bとからなる。この従来技術は、高抵抗結晶成長層142により基板側に空乏層160が広がり易くして、接合容量を下げている。さらに、その空乏層160が広がるより深いところにあるP型低抵抗基板141によってアノード側の直列抵抗を下げている。これにより、フォトダイオードの応答速度を律するC成分とR成分の両成分を下げて、応答速度の高速化を図るものである。なお、図3において、143はN型エピタキシャル層、144はP型分離拡散層、145はN型コンタクト領域、146はN型埋め込み領域、147はP型ベース領域、148はN型エミッタ領域、149はシリコン酸化膜、150a、150b、150cは電極配線層、180は信号光を検出するフォトダイオード形成部、190は検出された信号を処理する回路形成部である。
【0009】
なお、上記積層基板を用いて応答速度を改善するためには、空乏層を充分に高抵抗層内に広げて接合容量を低減する必要がある。そこで、高抵抗層の比抵抗を、エピタキシャル成長で制御可能な上限である1000Ωcmまで高くし、また、高抵抗層142の厚さを、空乏層が濃度一定の高抵抗層142b一杯に広がる20μm程度(濃度一定の高抵抗層142bが13μm程度)にするのが望ましい。これは、高抵抗層の空乏層が広がらない領域が増えると、アノード側の直列抵抗が大きくなって応答速度の向上の妨げになるからである。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、書き込み対応の光ピックアップでは、書き込み速度に比例してレーザーから光ディスクに照射される光量が増えるため、その反射光であるフォトダイオードに入射するレーザー光の光量も多くなる。そして、フォトダイオードに入射する光がある量よりも多くなると、フォトダイオードの応答速度が低下するという問題が生じる。
【0011】
図1の構造について、フォトダイオードの応答速度(カットオフ周波数)の入射光量に対する依存性を調べた結果を図4に示す。この図4に示すように、フォトダイオードに入射する光がある量よりも多くなると、フォトダイオードの応答速度(カットオフ周波数)が低下している。また、基板比抵抗が低いものに比べて、基板比抵抗が高いものの方がこのような応答速度の低下が起こり易くなっている。
【0012】
本発明はこのような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、書き込み対応可能な光ピックアップ等に使用される受光素子において、フォトダイオードに読み出し時の小光量が入射したときおよび書き込み時の大光量入射したときのいずれについても、応答速度の高速化を図ることができる受光素子および回路内蔵型受光素子を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の受光素子は、第1導電型半導体基板と、該第1導電型半導体基板上に形成され、該第1導電型半導体基板よりも不純物濃度が低い第1導電型半導体層と、該第1導電型半導体層上に形成された第2導電型半導体層と、該第2導電型半導体層の表面から該第1導電型半導体層の表面に達するように形成され、該第2導電型半導体層を複数の第2導電型半導体領域に分割する第1導電型拡散層とを備え、該第2導電型半導体領域とその下部の第1導電型半導体層との接合により、信号光を検出するフォトダイオード部が複数構成されている受光素子であって、該フォトダイオード部に逆バイアス電圧を印加したときに該第1導電型半導体層内に形成される空乏層の平均電界強度が0.3V/μm以上となるように、該第1導電型半導体層の層厚が13μm以上17μm以下および比抵抗が100Ωcm以上1500Ωcm以下に設定されており、そのことにより上記目的が達成される。
【0016】
前記第1導電型半導体基板の比抵抗が1Ωcm以上20Ωcm以下であるのが好ましい。
【0017】
前記第1導電型半導体基板の裏面に電極を有し、該電極が前記第2導電型半導体層表面側に設けられているアノード電極と電気的に接続されているのが好ましい。
【0018】
本発明の受光素子は、第1導電型半導体基板と、該第1導電型半導体基板上に形成され、該第1導電型半導体基板よりも不純物濃度が高い第1の第1導電型半導体層と、該第1の第1導電型半導体層上に形成され、該第1導電型半導体基板よりも不純物濃度が低い第2の第1導電型半導体層と、該第2の第1導電型半導体層上に形成された第2導電型半導体層と、該第2導電型半導体層の表面から該第2の第1導電型半導体領域の表面に達するように形成され、該第2導電型半導体層を複数の第2導電型半導体領域に分割する第1導電型拡散層とを備え、該第2導電型半導体領域とその下部の第2の第1導電型半導体層との接合により、信号光を検出するフォトダイオード部が複数構成されており、該フォトダイオード部に逆バイアス電圧を印加したときに前記第2の第1導電型半導体層内に形成される空乏層の平均電界強度が0.3V/μm以上となるように、該第2の第1導電型半導体層の層厚が9μm以上17μm以下および比抵抗が100Ωcm以上1500Ωcm以下に設定されており、そのことにより上記目的が達成される。
【0021】
前記第1導電型半導体基板の不純物濃度が、前記第1の第1導電型半導体層のピーク不純物濃度の100分の1以下であるのが好ましい。
【0022】
前記第1導電型半導体基板がCZ法により作成され、その比抵抗が20Ωcm以上50Ωcm以下であるのが好ましい。
【0023】
前記第1の第1導電型半導体層のピーク不純物濃度が1×1017cm-3以上であるのが好ましい。
【0024】
前記第1の第1導電型半導体層が塗布拡散により形成されているのが好ましい。
【0025】
前記第1の第1導電型半導体層内で、前記第1導電型半導体基板側から表面に向かって不純物濃度が上昇している領域において、その不純物濃度が該第1の第1導電型半導体層内の最も高い不純物濃度の100分の1である部分は、前記第2導電型半導体層表面からの深さが38μm以下であるのが好ましい。
【0026】
本発明の回路内蔵受光素子は、前記受光素子における、前記第2導電型半導体層のフォトダイオード部とは異なる領域に、該フォトダイオード部によって検出した信号を処理する信号処理回路部を有し、そのことにより上記目的が達成される。
【0027】
前記第1導電型半導体層または前記第2の第1導電型半導体層のフォトダイオード部とは異なる部分の少なくとも一部に、該第1導電型半導体層または該第2の第1導電型半導体層の表面から形成された第1導電型高濃度拡散層を有するのが好ましい。
【0028】
以下、本発明の作用について説明する。
【0029】
本発明にあっては、第1導電型半導体基板の上にそれよりも不純物濃度が低い第1導電型半導体層を形成した積層基板を用いることにより、フォトダイオードの容量およびアノード抵抗を下げて、読み出し時の小光量での応答速度を向上させる。さらに、書き込み時の大光量が入射しても、従来のようにポテンシャルのフラット化により応答速度が低下しないように、第1導電型半導体層の層厚を薄くして空乏層幅を制限し、空乏層内の電界強度を強める。ここでは、書き込み対応用のフォトダイオードに要求される大光量時の応答速度(例えば書き込み6倍速)から、必要とされる空乏層内の電界強度を0.3V/μm以上に設定する。
【0030】
さらに、書き込み対応用のフォトダイオードに要求される小光量時の応答速度(例えば読み出し32倍速)から、必要とされる空乏層幅を5μm以上に設定する。
【0031】
これらの設定を満足するためには、第1導電型半導体層の層厚が13μm以上17μm以下であり、その比抵抗が100Ωcm以上1500Ωcm以下であるのが好ましい。なお、この厚みには、オートドープ層の厚みも含まれる。
【0032】
さらに、アノード抵抗を下げてフォトダイオードを高速化するためには、基板比抵抗をできるだけ低くするのが好ましい。しかし、基板比抵抗が低すぎると、第2導電型半導体層の結晶成長プロセスにおいて基板から第1導電型半導体層への不純物のオートドープが発生し、これによって応答速度が低下する。第1導電型半導体基板の比抵抗を1Ωcm以上20Ωcm以下にすれば、このようなオートドープの影響を無視し得る程度に抑制することが可能である。
【0033】
さらに、基板の裏面にアノード電極を設けて、表面側の分離拡散領域上に設けたアノード電極と電気的に接続すれば、表面側のみにアノード電極を設けた場合に比べて、より一層アノード抵抗を下げることができる。
【0034】
他の本発明にあっては、第1導電型半導体基板の上にそれよりも不純物濃度が高い第1導電型半導体層(第1の第1導電型半導体層)を形成した積層基板に、さらに、第1導電型半導体層よりも不純物濃度が低い第1導電型半導体層(第2の第1導電型半導体層)を設けている。基板側から見ると、高濃度である第1の第1導電型半導体層がポテンシャルバリアとして働くため、第1の第1導電型半導体層よりも基板側で発生したキャリアはそれを越えてPN接合に達することができず、基板内で再結合して消滅する。よって、基板で発生したキャリアによる遅い電流成分をカットすることができ、応答速度を高速化することができる。さらに、第1の第1導電型半導体層と第2の第1導電型半導体層との濃度差が大きくなるため、内蔵電界も強められ、応答速度が向上する。
【0035】
さらに、書き込み対応用のフォトダイオードに要求される大光量時の応答速度(例えば書き込み12倍速)から、必要とされる空乏層内の電界強度を0.3V/μm以上に設定するのが好ましい。
【0036】
さらに、書き込み対応用のフォトダイオードに要求される大光量時の応答速度(例えば書き込み12倍速)から第2の第1導電型半導体層の層厚が9μm以上17μm以下であり、その比抵抗が100Ωcm以上1500Ωcm以下であるのが好ましい。また、読み出し時の小光量時の応答速度から空乏層幅は3μm以上であるのが好ましい。
【0037】
さらに、第1導電型半導体基板の不純物濃度を第1の第1導電型半導体層のピーク不純物濃度の100分の1以下とすれば、大光量時に第1の第1導電型半導体層よりも基板側で発生したキャリアがそれを越えてPN接合に達する割合を充分小さくすることが可能である。
【0038】
さらに、第1導電型半導体基板は、欠陥が形成されにくいCZ法により作成するのが好ましい。そして、基板比抵抗をCZ法で作成可能な最も高い比抵抗、例えば20Ωcmから50Ωcmに設定することにより、第1の第1導電型半導体層内の基板側のポテンシャルバリアを大きくすることができる。よって、基板内で発生したキャリアがこのポテンシャルバリアを越える割合を充分小さくして、応答速度を高速化することができる。
【0039】
さらに、第1の第1導電型半導体層のピーク不純物濃度を1×1017cm-3以上にして、基板に対して充分高い不純物濃度(100倍以上)を持つようにするのが好ましい。
【0040】
さらに、第1の第1導電型半導体層は、欠陥が形成されにくい塗布拡散により形成するのが好ましい。
【0041】
さらに、第1の第1導電型半導体層内で、基板側から表面に向かって不純物が上昇している領域において、その不純物濃度が最も高い不純物濃度の100分の1である部分は、表面からの深さを38μm以下に設定することが、応答速度を向上させるために有効である。
【0042】
本発明の回路内蔵型受光素子にあっては、第1導電型拡散層によってフォトダイオード部とは分離された第2導電型半導体層の領域に、検出した信号を処理する信号処理回路部を設けているので、ピックアップシステムの小型化を図ることができる。
【0043】
さらに、フォトダイオード周辺のアノード電極に接続されたP型分離拡散層および信号処理回路部の下に、第1導電型半導体層または第2の第1導電型半導体層の表面から形成された第1導電型高濃度拡散層を設ければ、書き込み対応用フォトダイオードに要求される大光量時の応答速度から必要とされる低いアノード抵抗に設定することが可能となる。さらに、回路のラッチアップを防ぐことも可能である。
【0044】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【0045】
上述したように、図1および図3に示した構造の従来のフォトダイオードを書き込み用のフォトダイオードとして用いた場合、大光量入射時に応答速度が低下するという問題が生じている。
【0046】
本発明者らは、デバイスシミュレーションを用いて、大光量の光入射時におけるキャリア濃度および電位の時間変化を解析した。その結果、大光量入射時に大量に発生するキャリアが接合付近に蓄積し、これによりポテンシャルが平坦化してキャリアを接合部に押し出す力が弱くなるため、キャリアが拡散のみで移動することにより応答速度が低下するということが分かった。図5および図6に、読み出し時に相当する小光量および6倍書き込み時に相当する大光量をフォトダイオードに入射した場合について、フォトダイオード内のポテンシャルの時間変化をシミュレーションした結果を示す。また、図7に、大光量照射時について、キャリア密度の時間変化をシミュレーションした結果を示す。なお、この図5〜図7のシミュレーションは、図1の構造に対して行った。
【0047】
図5に示すように、小光量入射時には接合付近での電位の変化は生じていない。これに対して、大光量入射時には、図6に示すように、光入射後の時間と共に基板電位が持ち上がっている。また、図7から、大光量入射時にPN接合付近から基板にかけてキャリアが蓄積していることがわかる。これは、大光量入射時には空乏層および基板に大量の光キャリアが生じ、これにより基板電位が持ち上がるからである。そして、接合付近で電界強度が弱まるため、キャリアを押し流す力が弱まり、さらにキャリアが蓄積して基板電位が持ち上がる。この繰り返しによって接合付近での電位がフラット化し、キャリアが長い距離を拡散により移動するようになるため、応答速度の低下が生じるのである。
【0048】
以下に、本発明者らが、このようにキャリアの蓄積が生じる原因を解析し、本発明に至った経緯について説明する。
【0049】
上述した図4から、基板比抵抗が低いほど、大光量時の応答速度の低下速度が小さいことがわかる。印加される逆バイアス電圧は同じであるので、基板比抵抗が小さいほど空乏層幅が狭く、空乏層内にかかる電界強度は強い。そして、電界強度が強くなれば、接合付近のキャリアを押し流す力も強くなり、キャリアの蓄積が起こり難くなる。よって、基板比抵抗が低い方が空乏層幅は狭くなるにも関わらず、大光量時の応答速度が速いと考えられる。
【0050】
そこで、大光量(350μW)入射時のフォトダイオードの応答速度に対して、空乏層内の電界強度が与える影響を調べるために、デバイスシミュレーションを行った。このシミュレーションは、図8(a)に示すような構造および図8(b)に示すような不純物濃度プロファイル(図8(a)のb−b’線部分)を用いて行った。このフォトダイオードは、P型低抵抗基板181上にP型高抵抗層182を形成し、その上にN型半導体層183を積層した構造となっている。また、N型半導体層183は、P型拡散層184、185により複数の領域に分割されている。このフォトダイオードの不純物プロファイルは、図8(b)に示すように、P型低抵抗基板181とP型高抵抗層182の濃度変化が階段状になっているため、空乏層が基板とP型高抵抗層182との界面まで広がっている。また、基板比抵抗が充分に低いためにアノード抵抗の影響を無視できるようになっている。
【0051】
このフォトダイオードに大光量のパルス光を照射したときの応答をシミュレーションにより求め、印加逆バイアス電圧を変化させることにより、応答速度の電界強度依存性を調べた。図9に、応答時間tf(90%→10%)の電界強度に対する依存性をシミュレーションにより求めた結果を示す。なお、tf(90%→10%)とは、フォトダイオードにパルス光が照射された後、光電流が最大値の90%から10%に低下するまでの時間である。この図9に示すように、空乏層内の電界強度が弱まることによりフォトダイオードの応答速度が遅くなっている。
【0052】
さらに、応答速度が低下している原因を調べるために、フォトダイオード内の深さ方向のキャリア密度分布について、パルス幅10μsecのパルス光照射後の時間変化を調べた結果を図10に示す。図10(a)は空乏層内の電界強度が0.16V/μmである場合を示し、図10(b)は空乏層内の電界強度が0.4V/μmである場合を示す。図10(a)に示すように、空乏層内の電界強度が弱い場合には、パルス光照射直後に接合付近(深さ2μm程度)に大量のキャリアが蓄積し、例えば接合のごく近辺では1012cm-3のキャリアが蓄積している。そして、その蓄積したキャリアがN型半導体層側に掃き出されるのにかかる時間が10ns以上と遅いため、フォトダイオードの応答速度が低下することがわかる。これに対して、図10(b)に示すように、空乏層内の電界強度が強い場合には、空乏層付近のキャリア濃度は殆ど変化しておらず、キャリアの蓄積は起こっていない。
【0053】
また、光を照射していないときと、パルス幅10μsecのパルス光照射直後とについて、電界強度分布を図11(a)および図11(b)に示す。図11(a)に示すように、空乏層内の電界強度が0.16V/μmでキャリアの蓄積が起こっている場合には、キャリアの蓄積により接合付近の電界強度がさらに弱まっている。これにより、蓄積したキャリアをN型半導体層側に掃き出す力が弱まり、応答速度が非常に遅くなることがわかる。これに対して、図11(b)に示すように、空乏層内の電界強度が0.4V/μmでキャリアの蓄積が起こっていない場合には、空乏層内の電界強度は光照射時と光が照射されていないときとで殆ど変わっていない。
【0054】
以上のことから、大光量照射(書き込み)時に応答速度が低下する原因は、キャリアが接合付近に蓄積するためであり、空乏層内の電界強度を強くすることにより改善できることがわかった。
【0055】
但し、実際のフォトダイオードでは、空乏層内の電界強度を強くするために印加逆バイアス電圧を高くすると、印加電圧の揺らぎによるノイズも大きくなるため、印加電圧を大きく変えることはできない。また、機器内のLSIと電源を共有していることからも、印加電圧を大きく変えることはできない。そこで、従来から知られている図3の構造のフォトダイオードにおいて、P型エピタキシャル層(P型高抵抗結晶成長層)142を薄くすることにより、空乏層幅を制限し、空乏層内の電界強度を強めることができる。
【0056】
図3の構造において、P型エピタキシャル層142の層厚を変化させて実際に作製したフォトダイオードについて、大光量および小光量を照射した時の応答を測定した結果を下記表1に示す。同時に、各層厚での空乏層幅と空乏層内の電界強度についても示す。
【0057】
【表1】

Figure 0003900233
【0058】
なお、P型エピタキシャル層142内には、不純物濃度が変化している領域(オートドープ層142a)があるため、この表1に示すように、空乏層幅はP型エピタキシャル層142幅よりも薄くなる。
【0059】
また、この測定による、大光量時の応答速度と空乏層内の電界強度との関係を図9に実測値として示す。この図9に示すように、空乏層内の電界強度が強くなるに従って応答速度が速くなっており、その依存性はシミュレーション結果と一致している。従って、大光量を照射した時の応答速度はおおよそ空乏層内の電界強度によって律され、空乏層幅には殆ど因らない。これは、シミュレーションにおいて応答速度が低下している場合のキャリア分布を示した図10(a)からも分かるように、キャリアの蓄積は接合付近(深さ2μm程度で起きるため、キャリアの蓄積はこの接合付近での電界強度に大きく依存すると考えられることからも説明される。
【0060】
一方、上記表1に示すように、空乏層幅が狭まると、小光量を照射した時の応答速度が低下する。これは、空乏層が狭まることにより容量成分が上昇するため、および空乏層よりも下で発生したキャリアが拡散で移動する距離が長くなるためである。
【0061】
以上のように、図3の構造のフォトダイオードにおいて、P型エピタキシャル層142の厚みを薄くして空乏層内の電界強度を強くすることにより、大光量時の応答速度を向上させることができる。しかし、P型エピタキシャル層142を薄くしすぎると、小光量時の応答速度が低下するため、書き込み時の大光量および読み出し時の小光量を照射したときに要求される応答速度の両方の観点から、最適な層厚を設定する必要がある。
【0062】
(実施形態1)
図3は、本実施形態の受光素子の構造を示す断面図である。
【0063】
本実施形態の受光素子と図3の構造を有する従来の受光素子とは、同様の方法により作製することができるが、大きく異なる点は、P型エピタキシャル層(高抵抗結晶成長層)142の層厚と比抵抗である。本実施形態では、このP型エピタキシャル層142の層厚および比抵抗を、下記式を満足するように設定する。
【0064】
Ed>0.3V/μm
但し、Edはフォトダイオードに動作逆バイアス電圧を印加した時に空乏層160内に生じる平均電界強度である。
【0065】
このように空乏層内の電界強度を設定する理由は以下の通りである。空乏層内の電界強度を強めることにより、接合付近に存在する光キャリアを押し流す力を大きくして、フォトダイオードに大光量の光が入射したときにキャリアの蓄積による応答速度の低下を抑制することができる。現在、書き込み対応CD用ピックアップの性能としては、6倍速書き込みが要求されている。上述した図9によれば、空乏層内の電界強度を0.3V/μm以上に設定することにより、6倍速書き込みに必要な応答速度を実現することができる。
【0066】
さらに、書き込み対応のフォトダイオードには、書き込み時だけではなく読み出し時の応答速度も重要であり、32倍速読み出しの性能が要求されている。上記表1の実験データから見積もった空乏層幅と小光量時の応答速度の関係を図12に示す。ここで、32倍速の応答速度を得るためには応答周波数が23MHz以上であることが必要であり、これを満たすためにはフォトダイオードの1dB落ちの周波数が15MHz以上であることが必要である。この図12によれば、空乏層幅を5μm以上に設定することにより、32倍速読み出しに必要な応答速度を実現することができる。
【0067】
なお、上記書き込み時および読み出し時に必要な応答速度を充分満足させるために、空乏層内の電界強度を0.3V/μm以上とし、かつ、空乏層幅を5μm以上とするためには、P型エピタキシャル層142の層厚を13μm以上17μm以下とし、その比抵抗を100Ωcm以上1500Ωcm以下とするのが好ましい。なお、この層厚および比抵抗の範囲は本発明者らの実験データから決定したものである。
【0068】
さらに、P型半導体基板141の不純物濃度は、P型エピタキシャル層142の表面における不純物濃度の103倍を越えない濃度とするのが好ましい。これは、N型エピタキシャル層の形成までの工程において、基板内の不純物が抜け出してその表面に形成されるP型エピタキシャル層142(不純物濃度が一定の層142b)の表面に付着することによってオートドープ層が形成されるのを防ぐためである。例えば、1kΩの高比抵抗を有するP型エピタキシャル層142を形成する場合には、P型半導体基板141の不純物濃度は約1Ωcmとする。この理由は、P型エピタキシャル層142の表面に形成されるオートドープ層の不純物濃度と、P型半導体基板141の不純物濃度との間に、およそ1:1000という関係が成立するからである。従って、P型半導体基板141の不純物濃度を、P型エピタキシャル層142の表面における不純物濃度の設定値の1000倍を越えない濃度とすれば、仮に不純物のオートドープが発生しても、結果として得られるP型エピタキシャル層の表面での不純物濃度が所定の設定値を越えることはない。また、アノード抵抗を下げるためには、基板比抵抗はオートドープが起こらない範囲で低い方が望ましい。例えば基板比抵抗の下限を1Ωcmとすると、受光素子を安定して量産するためには基板比抵抗の上限を20Ωcm以下にするのが望ましい。
【0069】
さらに、基板の裏面にアノード電極を設けて、表面側の分離拡散領域上に設けたアノード電極と電気的に接続すれば、表面側のみにアノード電極を設けた場合に比べて、より一層アノード抵抗を下げて応答速度の向上を図ることができる。
【0070】
(実施形態2)
図13は、本実施形態の受光素子の構造を示す断面図である。この図において、アノード電極、カソード電極、配線および保護膜等は省略されている。
【0071】
この受光素子は、図13(a)に示すように、P型半導体基板103上にP型埋め込み拡散層109、P型エピタキシャル層104およびN型エピタキシャル層110が形成されている。N型エピタキシャル層110はP型分離拡散層107およびP型分離埋め込み拡散層108により複数の領域に分割され、各分割領域とその下のP型エピタキシャル層104との接合によりフォトダイオードが構成されている。P型エピタキシャル層104は、図13(a)のc−c’線部分の不純物プロファイルを示す図13(b)に示すように、基板側から連続的に不純物濃度が減少するオートドープ層(はい上がり層)104aと比抵抗が一定の層104bとからなる。
【0072】
この受光素子と実施形態1の受光素子とにおいて、大きく異なる点は、P型半導体基板103とp型エピタキシャル層104との間に、P型埋め込み拡散層109を設けた点である。受光素子の作製においては、P型半導体基板103上にボロンを拡散してP型埋め込み拡散層109を形成し、その上に結晶成長によりP型エピタキシャル層を形成する。その後は、従来と同様に行うことができる。
【0073】
実施形態1の受光素子においては、P型エピタキシャル層の層厚および比抵抗を最適化しても、得られる性能は、書き込み6倍速および読み出し32倍速程度までである。これは、空乏層内の電界強度を強めるために空乏層幅を狭くすることにより、容量成分が増加すること、および基板の比較的深い位置で発生したキャリアが拡散により移動する距離が長くなることによる。また、これは、読み出し時のみではなく、書き込み時の応答速度を律する要因ともなっている。
【0074】
そこで、本実施形態では、P型半導体基板103とP型エピタキシャル層104との間にP型埋め込み拡散層109を形成することにより、基板の比較的深い位置で発生したキャリアに対してP型埋め込み拡散層109がポテンシャルバリアとして働くようにして、応答速度を向上させることを検討した。
【0075】
まず、この埋め込み拡散層109がどのように機能するのかについて、デバイスシミュレーションにより検討を行った。フォトダイオード部の濃度プロファイルが図14(a)、図14(b)、図14(c)に示すような3つの構造に対して、780nm、300μWのパルス光に対して、1%の応答時間(光電流が90%から1%になるまでの時間)tf(90%→1%)を下記表2に示す。なお、この表2において、埋め込み層幅とは、P型埋め込み拡散層109のピーク不純物濃度の位置から、その表面側の濃度が1014cm-3である位置までの幅である。
【0076】
【表2】
Figure 0003900233
【0077】
ここで、1%の応答時間は、基板から拡散によって移動するキャリアで決定される。プロファイル(a)と(b)ではP型半導体基板103、P型埋め込み拡散層109およびP型エピタキシャル層104の不純物濃度は等しいが、P型埋め込み拡散層109の幅のみを異ならせてある。
【0078】
このプロファイル(a)と(b)の構造では、(b)の方が応答速度が大きく向上しているため、P型埋め込み拡散層109の幅が広くて、P型埋め込み拡散層109の作り出すポテンシャルバリアが大きな勾配を持たないような場合には、応答速度向上の効果が得られないことがわかる。
【0079】
また、プロファイル(b)と(c)の構造では、P型半導体基板103の濃度(比抵抗)以外のプロファイルは全て同じにしてある。この(b)と(c)から、P型半導体基板103の濃度によって大きく応答速度が変化することがわかる。
【0080】
ここで、図15(a)に上記プロファイル(c)の構造に対してパルス幅10μsecのパルス光照射後2nsecにおける電子濃度分布を示し、図15(b)に上記プロファイル(b)の構造に対してパルス幅10μsecのパルス光照射後2nsecにおける電子濃度分布を示す。この図は、フォトダイオード部の断面を示す図であり、ドット密度が高いほど電子濃度が高いことを示している。また、図中の実線は、P型埋め込み拡散層109の濃度ピークを示している。なお、表面付近全体の電子濃度が高くなっているのは、カソード抵抗を下げるためにN型の高濃度注入層を設けているためである。
【0081】
図15(a)に示すように、基板比抵抗が高く、ポテンシャルバリアが十分の高さを持つプロファイル(c)の構造の場合には、P型埋め込み拡散層109よりも深い位置のキャリアがバリアを越えることができず、キャリアが溜まっていることが分かる。これに対して、図15(b)に示すように、ポテンシャルバリアの高さが十分ではないプロファイル(b)の構造の場合には、キャリアが表面側に流れ出して、P型埋め込み拡散層109のピーク濃度付近にも分布していることが分かる。従って、プロファイル(b)の構造において応答速度が低下するのは、P型埋め込み拡散層109よりも基板側で発生したキャリアがポテンシャルバリアを越えて遅い電流成分として寄与するためである。
【0082】
以上のように、図13に示すP型埋め込み拡散層109を設けた受光素子においては、P型埋め込み拡散層109がそれよりも基板側で発生したキャリアにとってポテンシャルバリアとして働く。このため、P型埋め込み拡散層109よりも基板側で発生したキャリアがポテンシャルバリアを越えて表面側に移動することができず、基板内で再結合して消滅する。また、P型埋め込み拡散層109の濃度ピーク部分から空乏層106の間の領域で発生したキャリアは、P型埋め込み拡散層109の大きな濃度勾配による内蔵電界によって加速され、拡散による場合に比べて速く空乏層端に移動する。これらのことから、書き込み対応フォトダイオードの書き込み時および読み出し時の応答速度を共に高速化することができる。この高速化の効果は、P型埋め込み拡散層109がP型半導体基板103に対して十分な濃度差および勾配を有することにより、さらに向上する。
【0083】
次に、P型エピタキシャル層104の層厚を変化させることにより空乏層106幅を変化させたプロファイルに対してシミュレーションを行った。フォトダイオード部の濃度プロファイルが図14(b)に示すような構造に対して、P型高抵抗エピタキシャル層の層厚を変化させて、350μwの光照射を行ったときの応答時間(光電流が90%から10%になるまでの時間)tf(90%→10%)を下記表3に示す。
【0084】
【表3】
Figure 0003900233
【0085】
また、図16(a)に、P型エピタキシャル層104の層厚を15μmとして空乏層106内の電界強度を0.42V/μmとした構造に対してパルス幅10μsecのパルス光照射時におけるフォトダイオード部の電子濃度分布を示し、図16(b)に、P型エピタキシャル層104の層厚を20μmとして空乏層106内の電界強度を0.21V/μmとした構造に対してパルス幅10μsecのパルス光照射時におけるフォトダイオード部の電子濃度分布を示す。この図は、フォトダイオード部の断面を示す図であり、ドット密度が高いほど電子濃度が高いことを示している。また、図中の実線は、P型埋め込み拡散層109の濃度ピークを示している。なお、表面付近全体の電子濃度が高くなっているのは、カソード抵抗を下げるためにN型の高濃度注入層を設けているためである。
【0086】
この図から分かるように、層厚が20μmの場合には、空乏層106付近にキャリアの蓄積が起こっている。従って、P型エピタキシャル層が厚くなると空乏層が広がって、空乏層内の電界強度が弱まるために電荷の蓄積が起こり、応答速度の低下につながる。
【0087】
図17に、空乏層106内の電界強度と、780nm、300μWのパルス光に対する10%の応答時間(カソード電流が10%になるまでの時間)tf(0%→90%)との関係を示す。この図から分かるように、本実施形態において、P型エピタキシャル層104の層厚および比抵抗を、下記式を満足するように設定することにより、次期書き込み対応フォトダイオードとして要求される12倍速書き込み性能(tfが4ns以下)を実現することができる。
【0088】
Ed>0.3V/μm
但し、Edはフォトダイオードに動作逆バイアス電圧を印加した時に空乏層106内に生じる平均電界強度である。これは、シミュレーション結果に示すように、空乏層内の電界強度を強めることにより、接合付近に存在する光キャリアを流す力を大きくして、フォトダイオードに大光量の光が入射したときにキャリアの蓄積による応答速度の低下を抑制することができるからである。
【0089】
上記書き込み時の性能を実現するために空乏層内の電界強度を0.3V/μm以上とし、かつ、フォトダイオードの容量の上昇を抑えるためには、P型エピタキシャル層104の層厚を9μm以上17μm以下とし、その比抵抗を100Ωcm以上1500Ωcm以下とするのが好ましい。なお、このエピタキシャル層の層厚の範囲は表3のシミュレーションデータから決定したものであり、比抵抗の範囲も本発明者らのシミュレーション結果から決定したものである。また、エピタキシャル層の層厚の下限を9μmとしているのは、図14(b)から、エピタキシャル層厚が9μmよりも薄くなるとN型エピタキシャル層110とP型エピタキシャル層104の接合濃度がオートドープ層104aの影響で高くなり、接合容量が増えて応答速度が低下するためである。
【0090】
さらに、本実施形態において、P型埋め込み拡散層109をポテンシャルバリアとして十分機能させるためには、P型埋め込み拡散層109のピーク不純物濃度がP型半導体基板103の不純物濃度の100倍以上とするのが好ましい。その理由は、以下の通りである。
【0091】
P型埋め込み拡散層109がP型半導体基板103に対して十分な拡散電位を持たない場合には、P型埋め込み拡散層109よりも基板側で発生したキャリアが熱エネルギーによってP型埋め込み拡散層109を越えてPN接合に達し、応答速度を低下させる要因となる。動作温度の約10℃〜100℃の熱エネルギーが0.03eV〜0.04eVであるので、これよりも十分に大きい拡散電位を持つ必要がある。基板側で発生したキャリアの表面側への流れ込みを抑えるために、P型埋め込み拡散層109を越えてくるキャリアを10%以下とするには、P型埋め込み拡散層109がP型半導体基板103に対して0.1V以上の電位を有する必要がある。これは、Ee(eV)の熱エネルギーを有する電子がEb(eV)のポテンシャルバリアを乗り越える確率pが
p=Exp(−Eb/Ee)
であるため、
p=Exp(−Eb/0.04)<0.1
Eb>−0.04×log(0.1)=0.1
となるからである。
【0092】
ここで、不純物濃度と拡散電位との関係を図18に示す。この図18から分かるように、P型埋め込み拡散層109とP型半導体基板103との間に電位0.1V以上の電位差を与えるためには、P型埋め込み拡散層109のピーク不純物濃度をP型半導体基板103の不純物濃度の100倍以上に設定する必要がある。すなわち、P型埋め込み拡散層109のピーク不純物濃度をP型半導体基板103の不純物濃度の100倍以上に設定することにより、P型埋め込み拡散層109よりも基板側で発生するキャリアによる応答速度の低下を改善することができる。
【0093】
さらに、P型半導体基板103の不純物濃度とP型埋め込み拡散層109のピーク不純物濃度との差が大きいほど、ポテンシャルバリアとしての効果は高くなる。ここで、基板の不純物濃度を下げるためにはFZ(Float Zone)法により作製した基板の方が有利であるが、この場合にはウェハ強度が弱く、欠陥による歩留まり低下が生じるおそれがある。これに対して、CZ(Czochralski)法で作製した基板の場合には、欠陥による歩留まりの低下を防ぐことができるので好ましい。なお、CZ法で作成可能な最も高い基板比抵抗は、50Ωcmであるので、20Ωcmから50Ωcmの比抵抗を有するCZ基板を用いるのが好ましい。これは、比抵抗の上限を50Ωcmとすると、受光素子を安定量産するためには下限が20Ωcmとなるからである。
【0094】
また、P型半導体基板103に対して十分高い不純物濃度(100倍以上)を与えるためには、P型埋め込み拡散層109のピーク不純物濃度を1×1017cm-3以上にするのが好ましい。
【0095】
さらに、P型埋め込み拡散層109は、層厚および比抵抗の制御性の観点からは、イオン注入により形成するのが有利である。しかし、1×1017cm-3以上という高濃度のイオンを注入した場合、欠陥による歩留まりの低下が生じるおそれがある。このような欠陥による歩留まりの低下を防ぐためには、塗布拡散によりP型埋め込み拡散層109を形成するのが好ましい。
【0096】
さらに、パルス光に対する1%の応答時間を改善するためには、P型埋め込み拡散層109の濃度プロファイルを以下のように設定するのが好ましい。
【0097】
Xu<38μm
但し、Xuはフォトダイオード表面から、P型埋め込み拡散層109の基板側でP型埋め込み拡散層109のピーク不純物濃度の100分の1の濃度となっている位置までの厚さである。これは、光が入射して吸収され、その強度が1%以下になる部分よりも浅いところにポテンシャルバリアを形成しなければ応答の遅いキャリアを十分に消すことができず、応答速度を向上させる効果が十分に得られないからである。ここで、CD−ROMに使用される波長780nmの光がSiに入射して1%の強度となる深さは38μmであるため、フォトダイオード表面から、P型埋め込み拡散層109の基板側でP型埋め込み拡散層109のピーク不純物濃度の100分の1の濃度となっている位置までの厚さを38μm以下に設定するのが好ましい。
【0098】
なお、実施形態2の受光素子においても、図3に示した実施形態1の構造と同様に、同一基板上のP型分離拡散層107およびP型分離埋め込み拡散層108によってフォトダイオード部とは分離されたN型エピタキシャル層の領域に、信号処理回路を形成して回路内蔵型受光素子とすることにより、ピックアップシステムの小型化を図り、コストダウンを実現することができる。
【0099】
さらに、このような回路内蔵型受光素子において、図19に示すように、フォトダイオード部以外の一部にP型エピタキシャル層30表面から、P型埋め込み拡散層4を形成するのが好ましい。これにより、P型分離埋め込み拡散層7の下側の抵抗を下げてアノード抵抗を下げることができ、さらにフォトダイオードの高速化を図ることができる。また、回路部の基板抵抗を下げることにより、ラッチアップを防ぐこともできる。なお、この図19において、1はP型半導体基板、30はP型高抵抗エピタキシャル層であり、そのうち、2は比抵抗一定の層、3はオートドープ層である。また、5は空乏層、6はN型コレクタ領域、8はN型エピタキシャル層、9はP型分離拡散層、10はN型コレクタコンタクト領域、11はP型ベース領域、12はN型エミッタ領域、14はカバー膜、15はカソードコンタクト、16はアノードコンタクト、17はトランジスターのコンタクト、22はカソードコンタクト領域、80はフォトダイオード形成部、90は回路形成部を示す。
【0100】
なお、上記実施形態においてはP型を第1導電型、N型を第2導電型としたが、N型を第1導電型、P型を第2導電型とすることも可能である。
【0101】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、第1導電型半導体基板の上にそれよりも不純物濃度が低い第1導電型半導体層を有する積層基板を用い、その上にフォトダイオードを形成した構造において、その第1導電型半導体層の層厚および比抵抗を調節して空乏層幅を薄くすることにより、フォトダイオードの印加バイアス電圧を変化させなくても空乏層内の電界強度を強くすることができる。その結果、接合付近で電界によってキャリアを押し流す力が強くなり、大光量時のキャリアの蓄積による応答速度の低下を防ぐことができる。
【0102】
但し、空乏層幅が狭くなると、容量成分の増加、および空乏層よりも下側で発生したキャリアが拡散により進む距離が長くなるため、小光量時の応答速度が低下するおそれがある。よって、読み出し時の小光量および書き込み時の大光量の両方に対して要求される応答速度を満足することができるように、第1導電型半導体層の層厚および比抵抗を調節して、所望の仕様を実現することができる。
【0103】
また、本発明によれば、第1導電型半導体基板とそれよりも不純物濃度が低い第2の第1導電型半導体層との間に、不純物濃度が高い第2の第1導電型半導体層を設けることにより、この第2の第1導電型半導体層を基板側で発生したキャリアに対してポテンシャルバリアとして機能させることができる。よって、拡散により長い距離を移動する遅い電流成分を除くことができる。また、第2の第1導電型半導体層のピーク不純物濃度の部分よりも表面側で発生したキャリアは、第2の第1導電型半導体層の内蔵電界によって加速されるため、空乏層端まで速くたどり着く。よって、応答速度をさらに向上させることができる。
【0104】
このように、本発明によれば、書き込み対応のフォトダイオードにおいて、書き込みのための大光量入射時にキャリアの蓄積による応答速度の低下を克服し、さらに、読み出しのための小光量入射時および書き込みのための大光量入射時の応答速度の改善を同時に実現することができる受光素子および回路内蔵型受光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の受光素子の構成を示す図であり、(a)はその断面構造を示し、(b)は(a)のa−a’線部分の不純物濃度を示す。
【図2】従来の受光素子における基板比抵抗と応答速度(カットオフ周波数)との関係を示す図である。
【図3】実施形態1および従来の受光素子の断面構造を示す図である。
【図4】図1の構造の受光素子について、フォトダイオードの応答速度(カットオフ周波数)の入射光量依存性を実験した結果を示す図である。
【図5】図1の構造の受光素子について、フォトダイオードに小光量を入射したときのポテンシャル分布の時間変化をシミュレーションした結果を示す図である。
【図6】図1の構造の受光素子について、フォトダイオードに大光量を入射したときのポテンシャル分布の時間変化をシミュレーションした結果を示す図である。
【図7】図1の構造の受光素子について、フォトダイオードに大光量を入射したときのキャリア密度分布の時間変化をシミュレーションした結果を示す図である。
【図8】シミュレーションに用いたフォトダイオードの構成を示す図であり、(a)はその断面構造を示し、(b)は(a)のb−b’線部分の不純物濃度を示す。
【図9】図8の構造の受光素子について、フォトダイオードの空乏層内の電界強度と応答速度との関係をシミュレーションした結果および実測した結果を示す図である。
【図10】(a)および(b)は、図8の構造の受光素子について、フォトダイオードのキャリア密度分布の時間変化を示す図である。
【図11】(a)および(b)は、図8の構造の受光素子について、光を照射していないときと光入射時とにおけるフォトダイオードの電界強度分布を示す図である。
【図12】図3の構造の受光素子について、フォトダイオードに小光量を入射したときの応答速度(カットオフ周波数)の空乏層幅依存性を示す図である。
【図13】実施形態2の受光素子の構成を示す図であり、(a)はその断面構造を示し、(b)は(a)のc−c’線部分の不純物濃度を示す。
【図14】(a)〜(c)は、図13の構造の受光素子について、シミュレーションに用いたフォトダイオードの深さ方向の不純物濃度分布を示す図である。
【図15】(a)および(b)は、図14(c)および(b)の不純物プロファイルを有するフォトダイオードについて、パルス幅10μsecのパルス光照射後2nsecにおけるキャリアの平面分布をシミュレーションした結果を示す図である。
【図16】 (a)および(b)は、P型エピタキシャル層の層厚を15μmおよび20μmとしたフォトダイオードについて、パルス幅10μsecのパルス光照射時におけるキャリアの平面分布をシミュレーションした結果を示す図である。
【図17】図13の構造の受光素子について、大光量入射時におけるフォトダイオードの空乏層内の電界強度と応答速度をシミュレーションした結果を示す図である。
【図18】不純物濃度勾配により生じる拡散電位と不純物濃度との関係を示す図である。
【図19】本発明の一実施形態である回路内蔵型受光素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
1、84、103、141 P型半導体基板
2、104b 比抵抗が一定の層
3、104a、142a オートドープ層
4 P型埋め込み拡散層
5、86、106、160 空乏層
6 N型コレクタ領域
7、88、108 P型分離埋め込み拡散層
8、85、110、143 N型エピタキシャル層
9、87、107、144 P型分離拡散層
10 N型コレクタコンタクト領域
11、147 P型ベース領域
12、148 N型エミッタ領域
14 カバー膜
15 カソードコンタクト
16 アノードコンタクト
17 トランジスターのコンタクト
22 カソードコンタクト領域
30、104、142 P型エピタキシャル層
80、180 フォトダイオード形成部
90、190 回路形成部
109 P型埋め込み拡散層
142b 不純物濃度が一定の層
145 N型コンタクト領域
146 N型埋め込み領域
149 シリコン酸化膜
150a、150b、150c 電極配線層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light receiving element and a circuit built-in light receiving element used for an optical pickup capable of writing.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an optical pickup is used in an optical disk device such as a CD-ROM or a DVD (digital video disk). In recent years, the speed of this optical disc apparatus has been increasing, and a large amount of data such as moving images has been handled at a high speed. In such a background, the demand for high speed optical pickup is very strong.
[0003]
Recently, writable optical disk devices such as CD-R / RW and DVD-R / RAM have also appeared. In this writable optical disc apparatus, information is written by changing the color of the dye on the disc by the heat of the laser, etc., so that a high power laser is irradiated onto the optical disc and the reflected light is incident on the photodiode. For this reason, the light quantity of the laser irradiated to the photodiode at the time of writing becomes very large compared with the time of reading. Even in such a writable optical disc medium, the demand for high speed is very strong.
[0004]
FIG. 1 shows the structure of a conventional photodiode disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-153605. In this photodiode, as shown in FIG. 1A, a second conductivity type epitaxial layer 85 is formed on a first conductivity type semiconductor substrate 84. The second conductivity type epitaxial layer 85 is divided into a plurality of regions by the first conductivity type diffusion layers 87 and 88, and a photodiode is formed by joining each divided region and the first conductivity type semiconductor substrate 84 therebelow. .
[0005]
In a photodiode having such a structure, the factors that determine the response speed are the CR time constant determined by the capacitance (C) and resistance (R) of the photodiode, and the carriers generated on the substrate side from the depletion layer move by diffusion. There is a movement distance when doing.
[0006]
Therefore, in this prior art, the impurity concentration of the first conductivity type semiconductor substrate 84 is set low as shown in FIG. 1B showing the impurity concentration profile of the line aa ′ in FIG. The depletion layer 86 extending in the first conductivity type semiconductor substrate 84 is easily expanded. Thereby, the junction capacitance of the photodiode can be reduced, the CR time constant can be reduced, and the response speed of the photodiode can be increased. Furthermore, since the depletion layer extends deeper to the substrate side, the distance traveled by diffusion of carriers generated at a relatively deep position is shortened, so that the response speed can be increased.
[0007]
However, if the substrate specific resistance is further increased in order to further increase the response speed of the photodiode, the series resistance on the anode side caused by the substrate specific resistance will increase. For this reason, the R component of the CR time constant that determines the response of the photodiode increases, and conversely the response speed decreases. That is, as the substrate specific resistance is increased, the C component of the CR time constant that governs the response speed of the photodiode can be reduced. Therefore, as shown in FIG. The response speed of the diode (the cutoff frequency of the photodiode) can be improved. However, when the substrate specific resistance is further increased, the R component due to the anode resistance in particular increases, so that the response speed of the photodiode decreases as shown in FIG.
[0008]
Therefore, in order to further increase the speed of the photodiode, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-154063, a P-type high resistance crystal growth layer 142 is formed on a P-type low resistance substrate 141 as shown in FIG. There has been proposed a structure in which a photodiode is formed on the laminated substrate. The high-resistance crystal growth layer 142 includes an auto-doped layer 142a whose impurity concentration continuously decreases from the low-resistance substrate 141 side and a layer 142b whose impurity concentration is constant. In this prior art, the depletion layer 160 is easily spread on the substrate side by the high resistance crystal growth layer 142, and the junction capacitance is lowered. Furthermore, the series resistance on the anode side is lowered by the P-type low resistance substrate 141 located deeper where the depletion layer 160 extends. As a result, both the C component and the R component that govern the response speed of the photodiode are lowered to increase the response speed. In FIG. 3, 143 is an N-type epitaxial layer, 144 is a P-type isolation diffusion layer, 145 is an N-type contact region, 146 is an N-type buried region, 147 is a P-type base region, 148 is an N-type emitter region, 149 Is a silicon oxide film, 150a, 150b and 150c are electrode wiring layers, 180 is a photodiode forming part for detecting signal light, and 190 is a circuit forming part for processing the detected signal.
[0009]
In order to improve the response speed using the multilayer substrate, it is necessary to sufficiently expand the depletion layer in the high resistance layer to reduce the junction capacitance. Therefore, the specific resistance of the high-resistance layer is increased to 1000 Ωcm, which is the upper limit that can be controlled by epitaxial growth, and the thickness of the high-resistance layer 142 is increased to about 20 μm in which the depletion layer spreads over the high-resistance layer 142b having a constant concentration ( It is desirable that the high-resistance layer 142b having a constant concentration be about 13 μm. This is because when the region where the depletion layer of the high resistance layer does not spread increases, the series resistance on the anode side increases, which hinders the improvement of the response speed.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the optical pickup for writing, the amount of light irradiated from the laser to the optical disk increases in proportion to the writing speed, so that the amount of laser light incident on the photodiode as the reflected light also increases. If the amount of light incident on the photodiode exceeds a certain amount, there arises a problem that the response speed of the photodiode decreases.
[0011]
FIG. 4 shows the result of examining the dependence of the response speed (cutoff frequency) of the photodiode on the amount of incident light with respect to the structure of FIG. As shown in FIG. 4, when the amount of light incident on the photodiode exceeds a certain amount, the response speed (cutoff frequency) of the photodiode decreases. In addition, the response speed is more likely to decrease when the substrate specific resistance is higher than when the substrate specific resistance is low.
[0012]
The present invention has been made to solve such problems of the prior art, and in a light receiving element used for a write-capable optical pickup or the like, when a small amount of light is incident on a photodiode and writing is performed. It is an object of the present invention to provide a light receiving element and a circuit built-in type light receiving element that can increase the response speed when a large amount of light is incident.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The light receiving element of the present invention includes a first conductive semiconductor substrate, a first conductive semiconductor layer formed on the first conductive semiconductor substrate and having an impurity concentration lower than that of the first conductive semiconductor substrate, A second conductivity type semiconductor layer formed on the one conductivity type semiconductor layer; and the second conductivity type semiconductor formed to reach the surface of the first conductivity type semiconductor layer from the surface of the second conductivity type semiconductor layer. A first conductivity type diffusion layer that divides the layer into a plurality of second conductivity type semiconductor regions, and detects signal light by joining the second conductivity type semiconductor region and the first conductivity type semiconductor layer below the second conductivity type semiconductor region. A light receiving element having a plurality of photodiode portions, and an average electric field strength of a depletion layer formed in the first conductivity type semiconductor layer when a reverse bias voltage is applied to the photodiode portion is 0.3 V / Μm or more so that the first conductivity type semiconductor layer Layer thickness 13μm to 17μm And resistivity is 100Ωcm to 1500Ωcm Therefore, the above-mentioned purpose is achieved.
[0016]
The specific resistance of the first conductive type semiconductor substrate is preferably 1 Ωcm or more and 20 Ωcm or less.
[0017]
It is preferable that an electrode is provided on the back surface of the first conductivity type semiconductor substrate, and the electrode is electrically connected to an anode electrode provided on the surface side of the second conductivity type semiconductor layer.
[0018]
The light receiving element of the present invention includes a first conductive semiconductor substrate, a first first conductive semiconductor layer formed on the first conductive semiconductor substrate, and having a higher impurity concentration than the first conductive semiconductor substrate. A second first conductive type semiconductor layer formed on the first first conductive type semiconductor layer and having an impurity concentration lower than that of the first conductive type semiconductor substrate; and the second first conductive type semiconductor layer. A second conductive type semiconductor layer formed thereon, and formed so as to reach the surface of the second first conductive type semiconductor region from the surface of the second conductive type semiconductor layer; A first conductivity type diffusion layer that is divided into a plurality of second conductivity type semiconductor regions, and detects signal light by joining the second conductivity type semiconductor region and the second first conductivity type semiconductor layer below the second conductivity type semiconductor region A plurality of photodiode sections are configured, and a reverse bias voltage is applied to the photodiode sections. As pressurized above average electric field strength of the depletion layer formed in the second first-conductivity type semiconductor layer when the is 0.3V / [mu] m or more, the Second Layer thickness of the first conductivity type semiconductor layer Is 9 μm or more and 17 μm or less, and the specific resistance is 100 Ωcm or more and 1500 Ωcm or less. Therefore, the above-mentioned purpose is achieved.
[0021]
It is preferable that the impurity concentration of the first conductivity type semiconductor substrate is 1/100 or less of the peak impurity concentration of the first first conductivity type semiconductor layer.
[0022]
The first conductivity type semiconductor substrate is preferably formed by a CZ method and has a specific resistance of 20 Ωcm or more and 50 Ωcm or less.
[0023]
The peak impurity concentration of the first first conductivity type semiconductor layer is 1 × 10 17 cm -3 The above is preferable.
[0024]
The first first conductivity type semiconductor layer is preferably formed by coating diffusion.
[0025]
In the region where the impurity concentration increases from the first conductivity type semiconductor substrate side to the surface in the first first conductivity type semiconductor layer, the impurity concentration is the first first conductivity type semiconductor layer. It is preferable that a portion which is 1/100 of the highest impurity concentration has a depth of 38 μm or less from the surface of the second conductivity type semiconductor layer.
[0026]
The light receiving element with a built-in circuit of the present invention is Said In the light receiving element, in a region different from the photodiode portion of the second conductivity type semiconductor layer, By the photodiode part A signal processing circuit unit for processing the detected signal is provided, thereby achieving the above object.
[0027]
The first conductivity type semiconductor layer or the second first conductivity type semiconductor layer is formed on at least a part of a portion of the first conductivity type semiconductor layer or the second first conductivity type semiconductor layer different from the photodiode portion. It is preferable to have the 1st conductivity type high concentration diffusion layer formed from the surface of this.
[0028]
The operation of the present invention will be described below.
[0029]
In the present invention, by using the laminated substrate in which the first conductivity type semiconductor layer having a lower impurity concentration is formed on the first conductivity type semiconductor substrate, the capacitance and anode resistance of the photodiode are reduced, Improves response speed with a small amount of light during reading. Furthermore, even if a large amount of light at the time of writing is incident, the depletion layer width is limited by reducing the layer thickness of the first conductivity type semiconductor layer so that the response speed does not decrease due to flattening of the potential as in the prior art, Increase the electric field strength in the depletion layer. Here, the required electric field strength in the depletion layer is set to 0.3 V / μm or more from the response speed at the time of a large light amount required for the photodiode for writing (for example, writing 6 times speed).
[0030]
Furthermore, the required depletion layer width is set to 5 μm or more from the response speed at the time of small light quantity required for the photodiode for writing (for example, 32 times reading speed).
[0031]
In order to satisfy these settings, it is preferable that the thickness of the first conductivity type semiconductor layer is 13 μm or more and 17 μm or less and the specific resistance is 100 Ωcm or more and 1500 Ωcm or less. This thickness includes the thickness of the auto-dope layer.
[0032]
Further, in order to reduce the anode resistance and increase the speed of the photodiode, it is preferable to make the substrate specific resistance as low as possible. However, if the substrate specific resistance is too low, impurity auto-doping from the substrate to the first conductivity type semiconductor layer occurs in the crystal growth process of the second conductivity type semiconductor layer, thereby reducing the response speed. If the specific resistance of the first conductivity type semiconductor substrate is set to 1 Ωcm or more and 20 Ωcm or less, it is possible to suppress the influence of such auto-doping to a negligible level.
[0033]
Furthermore, if an anode electrode is provided on the back surface of the substrate and is electrically connected to the anode electrode provided on the separation diffusion region on the front surface side, the anode resistance is further increased compared to the case where the anode electrode is provided only on the front surface side. Can be lowered.
[0034]
In another aspect of the present invention, a laminated substrate in which a first conductivity type semiconductor layer (first first conductivity type semiconductor layer) having a higher impurity concentration is formed on a first conductivity type semiconductor substrate. , First A first conductivity type semiconductor layer (second first conductivity type semiconductor layer) having an impurity concentration lower than that of the conductivity type semiconductor layer is provided. When viewed from the substrate side, the high-concentration first first conductivity type semiconductor layer acts as a potential barrier, so that the carriers generated on the substrate side beyond the first first conductivity type semiconductor layer exceed the PN junction. Cannot be reached and disappears by recombination within the substrate. Therefore, it is possible to cut a slow current component due to carriers generated in the substrate, and to increase the response speed. Furthermore, since the concentration difference between the first first conductivity type semiconductor layer and the second first conductivity type semiconductor layer becomes large, the built-in electric field is strengthened, and the response speed is improved.
[0035]
Furthermore, it is preferable to set the required electric field strength in the depletion layer to 0.3 V / μm or more from the response speed (for example, 12 times writing speed) required for a photodiode for writing.
[0036]
Furthermore, the layer thickness of the second first-conductivity-type-semiconductor layer is 9 μm or more and 17 μm or less, and the specific resistance is 100 Ωcm, from the response speed (for example, 12 times writing speed) required for a photodiode for writing. The above is preferably 1500 Ωcm or less. Moreover, it is preferable that the depletion layer width is 3 μm or more from the response speed at the time of reading with a small amount of light.
[0037]
Furthermore, if the impurity concentration of the first conductivity type semiconductor substrate is set to 1/100 or less of the peak impurity concentration of the first first conductivity type semiconductor layer, the substrate is larger than the first first conductivity type semiconductor layer when the amount of light is large. It is possible to sufficiently reduce the rate at which carriers generated on the side reach the PN junction.
[0038]
Furthermore, it is preferable that the first conductivity type semiconductor substrate is formed by a CZ method in which defects are hardly formed. Then, by setting the substrate specific resistance to the highest specific resistance that can be created by the CZ method, for example, from 20 Ωcm to 50 Ωcm, the potential barrier on the substrate side in the first first conductivity type semiconductor layer can be increased. Therefore, the rate at which the carrier generated in the substrate exceeds the potential barrier can be made sufficiently small to increase the response speed.
[0039]
Further, the peak impurity concentration of the first first conductivity type semiconductor layer is set to 1 × 10. 17 cm -3 As described above, it is preferable to have a sufficiently high impurity concentration (100 times or more) with respect to the substrate.
[0040]
Furthermore, it is preferable that the first first conductivity type semiconductor layer is formed by coating diffusion in which defects are hardly formed.
[0041]
Further, in the region where the impurities are rising from the substrate side toward the surface in the first first conductivity type semiconductor layer, the portion whose impurity concentration is 1 / 100th of the highest impurity concentration is from the surface. Setting the depth to 38 μm or less is effective for improving the response speed.
[0042]
In the light receiving element with a built-in circuit according to the present invention, a signal processing circuit unit for processing a detected signal is provided in a region of the second conductive type semiconductor layer separated from the photodiode unit by the first conductive type diffusion layer. Therefore, the pickup system can be downsized.
[0043]
Furthermore, the first conductive type semiconductor layer or the first first conductive type semiconductor layer formed from the surface of the first conductive type semiconductor layer below the P type isolation diffusion layer connected to the anode electrode around the photodiode and the signal processing circuit unit. If a conductive type high-concentration diffusion layer is provided, it is possible to set the required low anode resistance from the response speed at the time of a large light amount required for the write-corresponding photodiode. Furthermore, it is possible to prevent latch-up of the circuit.
[0044]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
[0045]
As described above, when the conventional photodiode having the structure shown in FIGS. 1 and 3 is used as a writing photodiode, there is a problem that the response speed is lowered when a large amount of light is incident.
[0046]
The inventors of the present invention used device simulation to analyze changes in carrier concentration and potential with time when a large amount of light is incident. As a result, a large amount of carriers generated when a large amount of light is incident accumulates near the junction, which flattens the potential and weakens the force that pushes the carrier to the junction. It turns out that it falls. FIG. 5 and FIG. 6 show the results of simulating the temporal change of the potential in the photodiode when a small amount of light corresponding to reading and a large amount of light corresponding to writing six times are incident on the photodiode. In addition, FIG. 7 shows the result of simulating the change in carrier density over time during irradiation with a large amount of light. The simulations of FIGS. 5 to 7 were performed on the structure of FIG.
[0047]
As shown in FIG. 5, no potential change occurs near the junction when a small amount of light is incident. On the other hand, when a large amount of light is incident, as shown in FIG. 6, the substrate potential rises with time after the light is incident. Further, FIG. 7 shows that carriers are accumulated from the vicinity of the PN junction to the substrate when a large amount of light is incident. This is because a large amount of optical carriers are generated in the depletion layer and the substrate when a large amount of light is incident, thereby raising the substrate potential. Then, since the electric field strength is weakened in the vicinity of the junction, the force that pushes carriers is weakened, and carriers are further accumulated to raise the substrate potential. By repeating this, the potential in the vicinity of the junction is flattened, and carriers move by diffusion over a long distance, resulting in a decrease in response speed.
[0048]
In the following, the reason why the present inventors have analyzed the cause of the accumulation of carriers in this way and explained how the present invention was achieved will be described.
[0049]
From FIG. 4 described above, it can be seen that the lower the substrate specific resistance, the smaller the rate of decrease in response speed when the amount of light is large. Since the applied reverse bias voltage is the same, the smaller the substrate specific resistance, the narrower the depletion layer width and the stronger the electric field strength applied in the depletion layer. As the electric field strength increases, the force that pushes the carriers in the vicinity of the junction also increases, and carriers are less likely to accumulate. Therefore, it can be considered that the lower the substrate specific resistance, the faster the response speed when the amount of light is large, although the depletion layer width is narrow.
[0050]
Therefore, in order to investigate the influence of the electric field strength in the depletion layer on the response speed of the photodiode when a large amount of light (350 μW) is incident, a device simulation was performed. This simulation was performed using the structure as shown in FIG. 8A and the impurity concentration profile as shown in FIG. 8B (the bb ′ line portion in FIG. 8A). This photodiode has a structure in which a P-type high resistance layer 182 is formed on a P-type low resistance substrate 181 and an N-type semiconductor layer 183 is stacked thereon. The N-type semiconductor layer 183 is divided into a plurality of regions by P-type diffusion layers 184 and 185. As shown in FIG. 8B, the impurity profile of this photodiode is such that the depletion layer is formed between the substrate and the P-type because the concentration change of the P-type low-resistance substrate 181 and the P-type high-resistance layer 182 is stepped. It extends to the interface with the high resistance layer 182. Further, since the substrate specific resistance is sufficiently low, the influence of the anode resistance can be ignored.
[0051]
The response when the photodiode was irradiated with a large amount of pulsed light was obtained by simulation, and the applied reverse bias voltage was changed to examine the dependence of the response speed on the electric field strength. FIG. 9 shows the result of determining the dependence of the response time tf (90% → 10%) on the electric field strength by simulation. Note that tf (90% → 10%) is the time from when the photodiode is irradiated with pulsed light until the photocurrent decreases from 90% of the maximum value to 10%. As shown in FIG. 9, the response speed of the photodiode is slowed by the weakening of the electric field strength in the depletion layer.
[0052]
Further, in order to investigate the cause of the decrease in response speed, FIG. 10 shows the results of examining the time change after irradiation with pulsed light having a pulse width of 10 μsec for the carrier density distribution in the depth direction in the photodiode. FIG. 10A shows a case where the electric field strength in the depletion layer is 0.16 V / μm, and FIG. 10B shows a case where the electric field strength in the depletion layer is 0.4 V / μm. As shown in FIG. 10A, when the electric field strength in the depletion layer is weak, a large amount of carriers accumulates in the vicinity of the junction (depth of about 2 μm) immediately after the pulse light irradiation, for example, in the very vicinity of the junction. 12 cm -3 Have accumulated careers. It can be seen that the response time of the photodiode is lowered because the time taken for the accumulated carriers to be swept to the N-type semiconductor layer side is as slow as 10 ns or more. On the other hand, as shown in FIG. 10B, when the electric field strength in the depletion layer is strong, the carrier concentration in the vicinity of the depletion layer hardly changes, and no carrier accumulation occurs.
[0053]
In addition, FIG. 11A and FIG. 11B show electric field intensity distributions when light is not irradiated and immediately after irradiation with pulsed light having a pulse width of 10 μsec. As shown in FIG. 11A, when the electric field strength in the depletion layer is 0.16 V / μm and carrier accumulation occurs, the electric field strength near the junction is further weakened by the carrier accumulation. Thereby, it can be seen that the force for sweeping the accumulated carriers to the N-type semiconductor layer side is weakened, and the response speed becomes very slow. On the other hand, as shown in FIG. 11B, when the electric field strength in the depletion layer is 0.4 V / μm and no carrier accumulation occurs, the electric field strength in the depletion layer is the same as that at the time of light irradiation. There is almost no change when light is not irradiated.
[0054]
From the above, it has been found that the reason why the response speed decreases during irradiation with a large amount of light (writing) is that carriers accumulate near the junction and can be improved by increasing the electric field strength in the depletion layer.
[0055]
However, in an actual photodiode, if the applied reverse bias voltage is increased in order to increase the electric field strength in the depletion layer, noise due to fluctuations in the applied voltage also increases, so that the applied voltage cannot be changed greatly. Further, since the power supply is shared with the LSI in the device, the applied voltage cannot be changed greatly. Therefore, in the conventionally known photodiode having the structure shown in FIG. 3, by reducing the thickness of the P-type epitaxial layer (P-type high-resistance crystal growth layer) 142, the width of the depletion layer is limited, and the electric field strength in the depletion layer is reduced. Can be strengthened.
[0056]
In the structure of FIG. 3, the results of measuring the response when a large amount of light and a small amount of light are irradiated are shown in Table 1 below for a photodiode actually manufactured by changing the layer thickness of the P-type epitaxial layer 142. At the same time, the depletion layer width at each layer thickness and the electric field strength in the depletion layer are also shown.
[0057]
[Table 1]
Figure 0003900233
[0058]
Since the P-type epitaxial layer 142 includes a region where the impurity concentration changes (auto-doped layer 142a), as shown in Table 1, the depletion layer width is thinner than the P-type epitaxial layer 142 width. Become.
[0059]
Moreover, the relationship between the response speed at the time of a large light quantity and the electric field strength in the depletion layer by this measurement is shown as an actual measurement value in FIG. As shown in FIG. 9, the response speed increases as the electric field strength in the depletion layer increases, and the dependence is consistent with the simulation results. Therefore, the response speed when a large amount of light is irradiated is roughly determined by the electric field strength in the depletion layer, and hardly depends on the width of the depletion layer. As can be seen from FIG. 10 (a) showing the carrier distribution when the response speed is lowered in the simulation, the carrier accumulation occurs near the junction (the depth is about 2 μm. This is also explained from the fact that it is considered to be largely dependent on the electric field strength in the vicinity of the junction.
[0060]
On the other hand, as shown in Table 1 above, when the depletion layer width is narrowed, the response speed when a small amount of light is irradiated decreases. This is because the capacitance component increases due to the narrowing of the depletion layer, and the distance traveled by diffusion of carriers generated below the depletion layer increases.
[0061]
As described above, in the photodiode having the structure shown in FIG. 3, the response speed under a large amount of light can be improved by reducing the thickness of the P-type epitaxial layer 142 and increasing the electric field strength in the depletion layer. However, if the P-type epitaxial layer 142 is made too thin, the response speed at the time of small light quantity decreases, so from the viewpoint of both the response speed required when irradiating a large light quantity at the time of writing and a small light quantity at the time of reading. ,Optimal Layer thickness Need to be set.
[0062]
(Embodiment 1)
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the light receiving element of this embodiment.
[0063]
The light receiving element of this embodiment and the conventional light receiving element having the structure shown in FIG. 3 can be manufactured by the same method. The main difference is that the P-type epitaxial layer (high resistance crystal growth layer) 142 is different. Layer thickness And resistivity. In the present embodiment, the P-type epitaxial layer 142 is Layer thickness And the specific resistance is set so as to satisfy the following equation.
[0064]
Ed> 0.3V / μm
However, Ed is an average electric field strength generated in the depletion layer 160 when an operating reverse bias voltage is applied to the photodiode.
[0065]
The reason for setting the electric field strength in the depletion layer is as follows. By increasing the electric field strength in the depletion layer, the force to push the optical carriers existing near the junction is increased, and the response speed drop due to the accumulation of carriers is suppressed when a large amount of light is incident on the photodiode. Can do. Currently, as a performance of a write-capable CD pickup, 6 × speed writing is required. According to FIG. 9 described above, by setting the electric field strength in the depletion layer to 0.3 V / μm or more, it is possible to realize a response speed required for 6 × speed writing.
[0066]
Furthermore, the response speed at the time of reading as well as at the time of writing is important for the photodiode corresponding to writing, and the performance of 32-times speed reading is required. FIG. 12 shows the relationship between the depletion layer width estimated from the experimental data in Table 1 above and the response speed when the amount of light is small. Here, in order to obtain a response speed of 32 times speed, the response frequency needs to be 23 MHz or more, and in order to satisfy this, the 1 dB drop frequency of the photodiode needs to be 15 MHz or more. According to FIG. 12, by setting the depletion layer width to 5 μm or more, it is possible to realize the response speed required for 32-times speed reading.
[0067]
In order to sufficiently satisfy the response speed required at the time of writing and reading, the electric field strength in the depletion layer is set to 0.3 V / μm or more and the depletion layer width is set to 5 μm or more. Of the epitaxial layer 142 Layer thickness Is preferably 13 μm or more and 17 μm or less, and the specific resistance is preferably 100 Ωcm or more and 1500 Ωcm or less. In addition, this Layer thickness The range of specific resistance is determined from the experimental data of the present inventors.
[0068]
Further, the impurity concentration of the P-type semiconductor substrate 141 is 10% of the impurity concentration on the surface of the P-type epitaxial layer 142. Three It is preferable that the concentration does not exceed twice. This is because, in the process up to the formation of the N-type epitaxial layer, impurities in the substrate escape and adhere to the surface of the P-type epitaxial layer 142 (layer 142b having a constant impurity concentration) formed on the surface. This is to prevent the layer from being formed. For example, when the P-type epitaxial layer 142 having a high specific resistance of 1 kΩ is formed, the impurity concentration of the P-type semiconductor substrate 141 is about 1 Ωcm. This is because a relationship of approximately 1: 1000 is established between the impurity concentration of the auto-doped layer formed on the surface of the P-type epitaxial layer 142 and the impurity concentration of the P-type semiconductor substrate 141. Therefore, if the impurity concentration of the P-type semiconductor substrate 141 is set to a concentration that does not exceed 1000 times the set value of the impurity concentration on the surface of the P-type epitaxial layer 142, even if auto-doping of impurities occurs, the result is obtained. The impurity concentration on the surface of the P-type epitaxial layer to be formed does not exceed a predetermined set value. In order to reduce the anode resistance, it is desirable that the substrate specific resistance is as low as possible without causing autodoping. For example, if the lower limit of the substrate specific resistance is 1 Ωcm, it is desirable that the upper limit of the substrate specific resistance is 20 Ωcm or less in order to stably mass-produce the light receiving element.
[0069]
Furthermore, if an anode electrode is provided on the back surface of the substrate and is electrically connected to the anode electrode provided on the separation diffusion region on the front surface side, the anode resistance is further increased compared to the case where the anode electrode is provided only on the front surface side. The response speed can be improved by lowering.
[0070]
(Embodiment 2)
FIG. 13 is a cross-sectional view showing the structure of the light receiving element of this embodiment. In this figure, the anode electrode, cathode electrode, wiring, protective film and the like are omitted.
[0071]
In this light receiving element, as shown in FIG. 13A, a P-type buried diffusion layer 109, a P-type epitaxial layer 104, and an N-type epitaxial layer 110 are formed on a P-type semiconductor substrate 103. The N-type epitaxial layer 110 is divided into a plurality of regions by a P-type isolation diffusion layer 107 and a P-type isolation buried diffusion layer 108, and a photodiode is formed by joining each division region and the P-type epitaxial layer 104 therebelow. Yes. As shown in FIG. 13B, which shows the impurity profile of the cc ′ line portion of FIG. 13A, the P-type epitaxial layer 104 is an auto-doped layer (yes (Rising layer) 104a and a layer 104b having a constant specific resistance.
[0072]
A significant difference between this light receiving element and the light receiving element of the first embodiment is that a P type buried diffusion layer 109 is provided between the P type semiconductor substrate 103 and the p type epitaxial layer 104. In manufacturing the light receiving element, boron is diffused on the P-type semiconductor substrate 103 to form a P-type buried diffusion layer 109, and a P-type epitaxial layer is formed thereon by crystal growth. Thereafter, it can be carried out in the same manner as in the prior art.
[0073]
In the light receiving element of the first embodiment, the P-type epitaxial layer Layer thickness Even if the specific resistance is optimized, the obtained performance is up to about 6 × writing speed and 32 × reading speed. This is because the capacitance component increases by narrowing the width of the depletion layer in order to increase the electric field strength in the depletion layer, and the distance that carriers generated in a relatively deep position of the substrate move by diffusion increases. by. This is also a factor that regulates the response speed at the time of writing as well as at the time of reading.
[0074]
Therefore, in this embodiment, the P-type buried diffusion layer 109 is formed between the P-type semiconductor substrate 103 and the P-type epitaxial layer 104, so that the P-type buried with respect to carriers generated at a relatively deep position of the substrate. It was studied to improve the response speed by causing the diffusion layer 109 to act as a potential barrier.
[0075]
First, how the buried diffusion layer 109 functions was examined by device simulation. For the three structures shown in FIGS. 14A, 14B, and 14C, the concentration profile of the photodiode portion is 1% response time to 780 nm, 300 μW pulsed light. (Time until the photocurrent is changed from 90% to 1%) tf (90% → 1%) is shown in Table 2 below. In Table 2, the buried layer width means that the concentration on the surface side is 10 from the position of the peak impurity concentration of the P-type buried diffusion layer 109. 14 cm -3 Is the width to the position.
[0076]
[Table 2]
Figure 0003900233
[0077]
Here, the response time of 1% is determined by carriers moving from the substrate by diffusion. In the profiles (a) and (b), the P-type semiconductor substrate 103, the P-type buried diffusion layer 109, and the P-type epitaxial layer 104 have the same impurity concentration, but only the width of the P-type buried diffusion layer 109 is different.
[0078]
In the structures of the profiles (a) and (b), since the response speed is greatly improved in (b), the width of the P-type buried diffusion layer 109 is wide, and the potential generated by the P-type buried diffusion layer 109 is large. It can be seen that the effect of improving the response speed cannot be obtained when the barrier does not have a large gradient.
[0079]
In the structures of profiles (b) and (c), the profiles other than the concentration (specific resistance) of the P-type semiconductor substrate 103 are all the same. From (b) and (c), it can be seen that the response speed varies greatly depending on the concentration of the P-type semiconductor substrate 103.
[0080]
Here, FIG. 15A shows the electron concentration distribution at 2 nsec after irradiation with pulse light having a pulse width of 10 μsec with respect to the structure of profile (c), and FIG. 15B shows the structure of profile (b). The electron concentration distribution at 2 nsec after irradiation with pulse light having a pulse width of 10 μsec is shown. This figure is a diagram showing a cross section of the photodiode portion, and shows that the higher the dot density, the higher the electron concentration. Further, the solid line in the figure indicates the concentration peak of the P-type buried diffusion layer 109. The reason why the electron concentration near the entire surface is high is that an N-type high concentration injection layer is provided in order to reduce the cathode resistance.
[0081]
As shown in FIG. 15A, in the case of the profile (c) structure in which the substrate specific resistance is high and the potential barrier is sufficiently high, carriers at a position deeper than the P-type buried diffusion layer 109 are barriers. It can be seen that the carrier has accumulated. On the other hand, as shown in FIG. 15B, in the case of the structure of the profile (b) where the height of the potential barrier is not sufficient, carriers flow out to the surface side, and the P-type buried diffusion layer 109 It can be seen that it is also distributed near the peak concentration. Therefore, the reason why the response speed is lowered in the structure of the profile (b) is that carriers generated on the substrate side of the P-type buried diffusion layer 109 contribute to the slow current component beyond the potential barrier.
[0082]
As described above, in the light receiving element provided with the P-type buried diffusion layer 109 shown in FIG. 13, the P-type buried diffusion layer 109 functions as a potential barrier for carriers generated on the substrate side. For this reason, carriers generated on the substrate side with respect to the P-type buried diffusion layer 109 cannot move to the surface side beyond the potential barrier, and recombine and disappear in the substrate. The carriers generated in the region between the concentration peak portion of the P-type buried diffusion layer 109 and the depletion layer 106 are accelerated by the built-in electric field due to the large concentration gradient of the P-type buried diffusion layer 109, and are faster than in the case of diffusion. Move to the edge of the depletion layer. For these reasons, the response speed at the time of writing and reading of the write-enabled photodiode can be increased. This speed-up effect is further improved when the P-type buried diffusion layer 109 has a sufficient concentration difference and gradient with respect to the P-type semiconductor substrate 103.
[0083]
Next, the P-type epitaxial layer 104 Layer thickness A simulation was performed on a profile in which the width of the depletion layer 106 was changed by changing. In contrast to the structure in which the concentration profile of the photodiode portion is as shown in FIG. Layer thickness Table 3 below shows the response time (time from 90% to 10% of the photocurrent) tf (90% → 10%) when 350 μw of light irradiation was performed while changing.
[0084]
[Table 3]
Figure 0003900233
[0085]
FIG. 16A shows the P-type epitaxial layer 104. Layer thickness Is an electron concentration distribution in the photodiode portion when irradiated with pulsed light having a pulse width of 10 μsec with respect to a structure in which the electric field intensity in the depletion layer 106 is 0.42 V / μm with a thickness of 15 μm, Of the epitaxial layer 104 Layer thickness The electron concentration distribution of the photodiode portion when irradiated with pulsed light having a pulse width of 10 μsec is shown for a structure in which the electric field intensity in the depletion layer 106 is 0.21 V / μm with a thickness of 20 μm. This figure is a diagram showing a cross section of the photodiode portion, and shows that the higher the dot density, the higher the electron concentration. Further, the solid line in the figure indicates the concentration peak of the P-type buried diffusion layer 109. The reason why the electron concentration near the entire surface is high is that an N-type high concentration injection layer is provided in order to reduce the cathode resistance.
[0086]
As you can see from this figure, Layer thickness Is 20 μm, carriers accumulate near the depletion layer 106. Therefore, when the P-type epitaxial layer becomes thick, the depletion layer expands, and the electric field strength in the depletion layer is weakened, so that charge accumulation occurs, leading to a decrease in response speed.
[0087]
FIG. 17 shows the relationship between the electric field intensity in the depletion layer 106 and 10% response time (time until the cathode current reaches 10%) tf (0% → 90%) with respect to 780 nm, 300 μW pulsed light. . As can be seen from this figure, in this embodiment, the P-type epitaxial layer 104 Layer thickness And by setting the specific resistance so as to satisfy the following formula, it is possible to realize the 12 × speed writing performance (tf of 4 ns or less) required for the next writing photodiode.
[0088]
Ed> 0.3V / μm
However, Ed is an average electric field strength generated in the depletion layer 106 when an operating reverse bias voltage is applied to the photodiode. This is because, as shown in the simulation results, by increasing the electric field strength in the depletion layer, the force to flow optical carriers existing near the junction is increased, and when a large amount of light is incident on the photodiode, This is because a decrease in response speed due to accumulation can be suppressed.
[0089]
In order to realize the above-described performance during writing, the electric field strength in the depletion layer is set to 0.3 V / μm or more, and in order to suppress the increase in the capacitance of the photodiode, the P-type epitaxial layer 104 Layer thickness Is preferably 9 μm to 17 μm, and the specific resistance is preferably 100 Ωcm to 1500 Ωcm. Note that this epitaxial layer Layer thickness This range is determined from the simulation data of Table 3, and the specific resistance range is also determined from the simulation results of the present inventors. Also, the epitaxial layer Layer thickness The lower limit of 9 μm is that the junction concentration of the N-type epitaxial layer 110 and the P-type epitaxial layer 104 becomes higher due to the influence of the auto-doped layer 104a when the epitaxial layer thickness is thinner than 9 μm from FIG. This is because the junction capacity increases and the response speed decreases.
[0090]
Furthermore, in this embodiment, in order to make the P-type buried diffusion layer 109 sufficiently function as a potential barrier, the peak impurity concentration of the P-type buried diffusion layer 109 is set to 100 times or more the impurity concentration of the P-type semiconductor substrate 103. Is preferred. The reason is as follows.
[0091]
When the P-type buried diffusion layer 109 does not have a sufficient diffusion potential with respect to the P-type semiconductor substrate 103, carriers generated on the substrate side of the P-type buried diffusion layer 109 are caused by thermal energy to cause the P-type buried diffusion layer 109. Exceeds the threshold and reaches the PN junction, which causes a reduction in response speed. Since the thermal energy at the operating temperature of about 10 ° C. to 100 ° C. is 0.03 eV to 0.04 eV, it is necessary to have a diffusion potential sufficiently higher than this. In order to suppress the flow of carriers generated on the substrate side to the surface side, the P-type buried diffusion layer 109 is formed on the P-type semiconductor substrate 103 in order to reduce the carrier exceeding the P-type buried diffusion layer 109 to 10% or less. On the other hand, it is necessary to have a potential of 0.1 V or more. This is because the probability p that electrons having thermal energy of Ee (eV) get over the potential barrier of Eb (eV)
p = Exp (-Eb / Ee)
Because
p = Exp (−Eb / 0.04) <0.1
Eb> −0.04 × log (0.1) = 0.1
Because it becomes.
[0092]
Here, the relationship between the impurity concentration and the diffusion potential is shown in FIG. As can be seen from FIG. 18, in order to give a potential difference of 0.1 V or more between the P-type buried diffusion layer 109 and the P-type semiconductor substrate 103, the peak impurity concentration of the P-type buried diffusion layer 109 is changed to P-type. It is necessary to set the impurity concentration of the semiconductor substrate 103 to 100 times or more. That is, by setting the peak impurity concentration of the P-type buried diffusion layer 109 to 100 times or more the impurity concentration of the P-type semiconductor substrate 103, the response speed is lowered due to carriers generated on the substrate side of the P-type buried diffusion layer 109. Can be improved.
[0093]
Furthermore, the greater the difference between the impurity concentration of the P-type semiconductor substrate 103 and the peak impurity concentration of the P-type buried diffusion layer 109, the higher the effect as a potential barrier. Here, in order to reduce the impurity concentration of the substrate, a substrate manufactured by the FZ (Float Zone) method is more advantageous. However, in this case, the wafer strength is weak and there is a possibility that the yield decreases due to defects. On the other hand, in the case of a substrate manufactured by a CZ (Czochralski) method, yield reduction due to defects can be prevented, which is preferable. Since the highest substrate specific resistance that can be produced by the CZ method is 50 Ωcm, it is preferable to use a CZ substrate having a specific resistance of 20 Ωcm to 50 Ωcm. This is because if the upper limit of the specific resistance is 50 Ωcm, the lower limit is 20 Ωcm for stable mass production of the light receiving elements.
[0094]
In order to give a sufficiently high impurity concentration (100 times or more) to the P-type semiconductor substrate 103, the peak impurity concentration of the P-type buried diffusion layer 109 is set to 1 × 10. 17 cm -3 It is preferable to make it above.
[0095]
Furthermore, the P-type buried diffusion layer 109 is Layer thickness From the viewpoint of controllability of the specific resistance, it is advantageous to form by ion implantation. But 1x10 17 cm -3 When such a high concentration of ions is implanted, the yield may be reduced due to defects. In order to prevent a decrease in yield due to such defects, it is preferable to form the P-type buried diffusion layer 109 by coating diffusion.
[0096]
Furthermore, in order to improve the response time of 1% with respect to the pulsed light, it is preferable to set the concentration profile of the P-type buried diffusion layer 109 as follows.
[0097]
Xu <38μm
However, Xu is the thickness from the surface of the photodiode to the position on the substrate side of the P-type buried diffusion layer 109 where the concentration is 1/100 of the peak impurity concentration of the P-type buried diffusion layer 109. This is because, if the potential barrier is not formed in a portion shallower than the portion where the light is incident and absorbed and becomes less than 1%, carriers with slow response cannot be sufficiently erased, and the response speed is improved. This is because a sufficient effect cannot be obtained. Here, the depth at which light having a wavelength of 780 nm used for the CD-ROM is incident on Si and becomes 1% is 38 μm. Therefore, from the surface of the photodiode, the depth of P on the substrate side of the P-type buried diffusion layer 109 is increased. It is preferable to set the thickness of the mold buried diffusion layer 109 to a position where the concentration is 1/100 of the peak impurity concentration to 38 μm or less.
[0098]
In the light receiving element of the second embodiment as well, the photodiode portion is separated by the P-type isolation diffusion layer 107 and the P-type isolation buried diffusion layer 108 on the same substrate, similarly to the structure of the first embodiment shown in FIG. By forming a signal processing circuit in the region of the N-type epitaxial layer thus formed as a light receiving element with a built-in circuit, the pickup system can be downsized and the cost can be reduced.
[0099]
Further, in such a circuit built-in light receiving element, it is preferable to form the P type buried diffusion layer 4 from the surface of the P type epitaxial layer 30 in a part other than the photodiode portion as shown in FIG. As a result, the lower resistance of the P-type isolation buried diffusion layer 7 can be lowered to lower the anode resistance, and the speed of the photodiode can be increased. Further, latch-up can be prevented by lowering the substrate resistance of the circuit portion. In FIG. 19, 1 is a P-type semiconductor substrate, 30 is a P-type high-resistance epitaxial layer, 2 is a layer with a constant specific resistance, and 3 is an auto-doped layer. 5 is a depletion layer, 6 is an N-type collector region, 8 is an N-type epitaxial layer, 9 is a P-type isolation diffusion layer, 10 is an N-type collector contact region, 11 is a P-type base region, and 12 is an N-type emitter region. , 14 is a cover film, 15 is a cathode contact, 16 is an anode contact, 17 is a transistor contact, 22 is a cathode contact region, 80 is a photodiode forming portion, and 90 is a circuit forming portion.
[0100]
In the above embodiment, the P type is the first conductivity type and the N type is the second conductivity type. However, the N type may be the first conductivity type and the P type may be the second conductivity type.
[0101]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, a multilayer substrate having a first conductivity type semiconductor layer having an impurity concentration lower than that on a first conductivity type semiconductor substrate is used, and a photodiode is formed thereon. In the structure, the first conductive type semiconductor layer Layer thickness Further, by adjusting the specific resistance and reducing the width of the depletion layer, the electric field strength in the depletion layer can be increased without changing the bias voltage applied to the photodiode. As a result, the force that pushes carriers by the electric field in the vicinity of the junction becomes strong, and it is possible to prevent a decrease in response speed due to the accumulation of carriers when the amount of light is large.
[0102]
However, when the width of the depletion layer is narrowed, the capacity component increases and the distance traveled by the carriers generated below the depletion layer becomes longer, which may reduce the response speed when the light quantity is small. Therefore, in order to satisfy the response speed required for both the small light amount at the time of reading and the large light amount at the time of writing, Layer thickness And the specific resistance can be adjusted to achieve the desired specifications.
[0103]
According to the present invention, the second first conductive semiconductor layer having a high impurity concentration is provided between the first conductive semiconductor substrate and the second first conductive semiconductor layer having a lower impurity concentration. By providing the second conductive semiconductor layer, the second conductive semiconductor layer can function as a potential barrier against carriers generated on the substrate side. Therefore, it is possible to remove a slow current component that travels a long distance by diffusion. In addition, since the carriers generated on the surface side of the second impurity region of the first conductivity type semiconductor layer are accelerated by the built-in electric field of the second conductivity type semiconductor layer, the carriers are quickly reached to the end of the depletion layer. Arrive. Therefore, the response speed can be further improved.
[0104]
As described above, according to the present invention, the write-enabled photodiode overcomes the decrease in the response speed due to the accumulation of carriers when a large amount of light for writing is incident. Therefore, a light receiving element and a circuit built-in type light receiving element capable of simultaneously improving the response speed when a large amount of light is incident are provided.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are diagrams showing a configuration of a conventional light receiving element, in which FIG. 1A shows a cross-sectional structure thereof, and FIG. 1B shows an impurity concentration at a line aa ′ in FIG.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between substrate resistivity and response speed (cut-off frequency) in a conventional light receiving element.
3 is a view showing a cross-sectional structure of the first embodiment and a conventional light receiving element;
4 is a diagram showing a result of an experiment on the dependence of the response speed (cutoff frequency) of a photodiode on the amount of incident light with respect to the light receiving element having the structure of FIG. 1; FIG.
5 is a diagram showing a result of simulating a temporal change in potential distribution when a small amount of light is incident on a photodiode for the light receiving element having the structure of FIG. 1; FIG.
6 is a diagram illustrating a result of simulating a temporal change in potential distribution when a large amount of light is incident on a photodiode with respect to the light receiving element having the structure of FIG. 1;
7 is a diagram showing a result of simulating a change in carrier density distribution over time when a large amount of light is incident on a photodiode in the light receiving element having the structure of FIG. 1; FIG.
FIGS. 8A and 8B are diagrams showing a configuration of a photodiode used in the simulation, in which FIG. 8A shows the cross-sectional structure thereof, and FIG.
FIGS. 9A and 9B are diagrams showing the results of simulating and actually measuring the relationship between the electric field intensity in the depletion layer of the photodiode and the response speed for the light receiving element having the structure of FIG.
FIGS. 10A and 10B are diagrams showing temporal changes in the carrier density distribution of photodiodes in the light receiving element having the structure of FIG.
11A and 11B are diagrams showing the electric field intensity distribution of the photodiode when the light is not irradiated and when the light is incident on the light receiving element having the structure of FIG.
12 is a diagram showing the depletion layer width dependence of the response speed (cut-off frequency) when a small amount of light is incident on a photodiode in the light receiving element having the structure of FIG. 3;
FIGS. 13A and 13B are diagrams showing a configuration of a light receiving element according to the second embodiment, in which FIG. 13A shows the cross-sectional structure thereof, and FIG.
FIGS. 14A to 14C are diagrams showing impurity concentration distributions in the depth direction of the photodiodes used in the simulation for the light receiving element having the structure of FIG.
FIGS. 15A and 15B show the results of simulating the planar distribution of carriers at 2 nsec after irradiation with pulsed light having a pulse width of 10 μsec for the photodiodes having the impurity profiles of FIGS. 14C and 14B. FIGS. FIG.
FIGS. 16A and 16B are views of a P-type epitaxial layer. Layer thickness It is a figure which shows the result of having simulated the planar distribution of the carrier at the time of pulse light irradiation of 10 microseconds of pulse width about the photodiode which made 15 micrometers and 20 micrometers.
17 is a diagram showing the results of simulating the electric field strength and response speed in the depletion layer of the photodiode when a large amount of light is incident on the light receiving element having the structure of FIG.
FIG. 18 is a diagram showing a relationship between a diffusion potential generated by an impurity concentration gradient and an impurity concentration.
FIG. 19 is a diagram showing a configuration of a light receiving element with a built-in circuit according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 84, 103, 141 P-type semiconductor substrate
2, 104b Layer with constant resistivity
3, 104a, 142a Auto dope layer
4 P-type buried diffusion layer
5, 86, 106, 160 Depletion layer
6 N-type collector region
7, 88, 108 P-type isolation buried diffusion layer
8, 85, 110, 143 N-type epitaxial layer
9, 87, 107, 144 P-type isolation diffusion layer
10 N-type collector contact region
11, 147 P-type base region
12, 148 N-type emitter region
14 Cover membrane
15 Cathode contact
16 Anode contact
17 Transistor contact
22 Cathode contact area
30, 104, 142 P-type epitaxial layer
80, 180 Photodiode formation part
90, 190 Circuit forming part
109 P-type buried diffusion layer
142b Layer with constant impurity concentration
145 N-type contact region
146 N-type buried region
149 Silicon oxide film
150a, 150b, 150c Electrode wiring layer

Claims (11)

第1導電型半導体基板と、
該第1導電型半導体基板上に形成され、該第1導電型半導体基板よりも不純物濃度が低い第1導電型半導体層と、
該第1導電型半導体層上に形成された第2導電型半導体層と、
該第2導電型半導体層の表面から該第1導電型半導体層の表面に達するように形成され、該第2導電型半導体層を複数の第2導電型半導体領域に分割する第1導電型拡散層と
を備え、
該第2導電型半導体領域とその下部の第1導電型半導体層との接合により、信号光を検出するフォトダイオード部が複数構成されている受光素子であって、
該フォトダイオード部に逆バイアス電圧を印加したときに該第1導電型半導体層内に形成される空乏層の平均電界強度が0.3V/μm以上となるように、該第1導電型半導体層の層厚が13μm以上17μm以下および比抵抗が100Ωcm以上1500Ωcm以下に設定されている、受光素子。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A first conductive semiconductor layer formed on the first conductive semiconductor substrate and having an impurity concentration lower than that of the first conductive semiconductor substrate;
A second conductivity type semiconductor layer formed on the first conductivity type semiconductor layer;
First conductivity type diffusion formed to reach the surface of the first conductivity type semiconductor layer from the surface of the second conductivity type semiconductor layer and dividing the second conductivity type semiconductor layer into a plurality of second conductivity type semiconductor regions With layers and
A light receiving element in which a plurality of photodiode portions for detecting signal light are configured by joining the second conductive type semiconductor region and the first conductive type semiconductor layer below the second conductive type semiconductor region;
The first conductive semiconductor layer so that an average electric field strength of a depletion layer formed in the first conductive semiconductor layer is 0.3 V / μm or more when a reverse bias voltage is applied to the photodiode portion. The light receiving element has a layer thickness of 13 μm to 17 μm and a specific resistance of 100 Ωcm to 1500 Ωcm .
前記第1導電型半導体基板の比抵抗が1Ωcm以上20Ωcm以下である請求項1に記載の受光素子。The light receiving element according to claim 1 , wherein a specific resistance of the first conductive type semiconductor substrate is 1 Ωcm or more and 20 Ωcm or less. 前記第1導電型半導体基板の裏面に電極を有し、該電極が前記第2導電型半導体層表面側に設けられているアノード電極と電気的に接続されている請求項1または請求項2に記載の受光素子。  The electrode according to claim 1 or 2, wherein an electrode is provided on a back surface of the first conductive type semiconductor substrate, and the electrode is electrically connected to an anode electrode provided on the surface side of the second conductive type semiconductor layer. The light receiving element of description. 第1導電型半導体基板と、
該第1導電型半導体基板上に形成され、該第1導電型半導体基板よりも不純物濃度が高い第1の第1導電型半導体層と、
該第1の第1導電型半導体層上に形成され、該第1導電型半導体基板よりも不純物濃度が低い第2の第1導電型半導体層と、
該第2の第1導電型半導体層上に形成された第2導電型半導体層と、
該第2導電型半導体層の表面から該第2の第1導電型半導体領域の表面に達するように形成され、該第2導電型半導体層を複数の第2導電型半導体領域に分割する第1導電型拡散層と
を備え、
該第2導電型半導体領域とその下部の第2の第1導電型半導体層との接合により、信号光を検出するフォトダイオード部が複数構成されており、
該フォトダイオード部に逆バイアス電圧を印加したときに前記第2の第1導電型半導体層内に形成される空乏層の平均電界強度が0.3V/μm以上となるように、該第2の第1導電型半導体層の層厚が9μm以上17μm以下および比抵抗が100Ωcm以上1500Ωcm以下に設定されている、受光素子。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A first first conductive semiconductor layer formed on the first conductive semiconductor substrate and having an impurity concentration higher than that of the first conductive semiconductor substrate;
A second first conductive semiconductor layer formed on the first first conductive semiconductor layer and having an impurity concentration lower than that of the first conductive semiconductor substrate;
A second conductivity type semiconductor layer formed on the second first conductivity type semiconductor layer;
A first conductive layer is formed so as to reach the surface of the second first conductive semiconductor region from the surface of the second conductive semiconductor layer, and divides the second conductive semiconductor layer into a plurality of second conductive semiconductor regions. A conductive diffusion layer, and
A plurality of photodiode portions for detecting signal light are configured by joining the second conductivity type semiconductor region and the second first conductivity type semiconductor layer below the second conductivity type semiconductor region,
As the average electric field strength of a depletion layer formed in the second first-conductivity-type semiconductor layer upon application of the reverse bias voltage to the photodiode part becomes 0.3V / [mu] m or more, the second A light-receiving element in which the layer thickness of the first conductivity type semiconductor layer is set to 9 μm or more and 17 μm or less and the specific resistance is set to 100 Ωcm or more and 1500 Ωcm or less .
前記第1導電型半導体基板の不純物濃度が、前記第1の第1導電型半導体層のピーク不純物濃度の100分の1以下である請求項4に記載の受光素子。The light receiving element according to claim 4 , wherein an impurity concentration of the first conductivity type semiconductor substrate is 1/100 or less of a peak impurity concentration of the first first conductivity type semiconductor layer. 前記第1導電型半導体基板がCZ法により作成され、その比抵抗が20Ωcm以上50Ωcm以下である請求項4または請求項5に記載の受光素子。6. The light receiving element according to claim 4, wherein the first conductivity type semiconductor substrate is formed by a CZ method and has a specific resistance of 20 Ωcm or more and 50 Ωcm or less. 前記第1の第1導電型半導体層のピーク不純物濃度が1×1017cm-3以上である請求項5または請求項6に記載の受光素子。7. The light receiving element according to claim 5, wherein a peak impurity concentration of the first first conductivity type semiconductor layer is 1 × 10 17 cm −3 or more. 前記第1の第1導電型半導体層が塗布拡散により形成されている請求項4乃至請求項7のいずれかに記載の受光素子。The light receiving element according to claim 4, wherein the first first conductivity type semiconductor layer is formed by coating diffusion. 前記第1の第1導電型半導体層内で、前記第1導電型半導体基板側から表面に向かって不純物濃度が上昇している領域において、その不純物濃度が該第1の第1導電型半導体層内の最も高い不純物濃度の100分の1である部分は、前記第2導電型半導体層表面からの深さが38μm以下である請求項5乃至請求項8のいずれかに記載の受光素子。In the region where the impurity concentration increases from the first conductivity type semiconductor substrate side to the surface in the first first conductivity type semiconductor layer, the impurity concentration is the first first conductivity type semiconductor layer. 9. The light receiving element according to claim 5 , wherein a portion of the first impurity concentration which is 1 / 100th of the highest impurity concentration has a depth of 38 μm or less from the surface of the second conductivity type semiconductor layer. 請求項1乃至請求項9のいずれかに記載の受光素子における、前記第2導電型半導体層のフォトダイオード部とは異なる領域に、該フォトダイオード部によ って検出した信号を処理する信号処理回路部を有する回路内蔵受光素子。The light receiving element according to any one of claims 1 to 9, in a region different from the photodiode portion of the second conductive type semiconductor layer, the signal processing for processing the signal detected I by the said photodiode unit A light receiving element with a built-in circuit having a circuit portion. 前記第1導電型半導体層または前記第2の第1導電型半導体層のフォトダイオード部とは異なる部分の少なくとも一部に、該第1導電型半導体層または該第2の第1導電型半導体層の表面から形成された第1導電型高濃度拡散層を有する請求項10に記載の回路内蔵受光素子。The first conductivity type semiconductor layer or the second first conductivity type semiconductor layer is formed on at least a part of a portion of the first conductivity type semiconductor layer or the second first conductivity type semiconductor layer different from the photodiode portion. The light receiving element with a built-in circuit according to claim 10 , further comprising a first conductivity type high concentration diffusion layer formed from the surface of the first conductive type.
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